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光子是怎么加速到光速的?

宇宙中的万物都在运动,人类在睡觉的时候身体内的器官仍然在工作,就算一块石头看似是静止的,其实它也在跟随地球一起运动,宇宙不存在真正的“静止”,物体运动的速度有快有慢,而最快的速度就是“光速”。

299792458m/s,这就是宇宙的“速度”极限,“最快速度”这个概念有些难以理解,在我们的常识中,只要能量足够,就可以让物体运动的速度越来越快,最近几百年人类的交通工具就是在科技的改变下不断升级,速度不就在慢慢提高吗?

人类现在创造的飞行器或者交通工具,距离光速还差得很远很远,在我们熟知的尺度中认为速度可以无限增加是一件很正常的事情,就像是对于一个蚂蚁来说,它很难知道地球有多大,在蚂蚁的眼中地球就是“无限大”的,而实际上地球有一个确切的大小,现在的人类探索宇宙,就像是蚂蚁探索地球一样,只能在有限的范围内移动,同时探索能力有限。

光速,就是速度的极限,就算我们有无限大的能量,也不能让一个有质量的物体达到光速,那么问题来了,光本身是怎么达到光速的呢?光子经历了怎样的加速过程?

光和光速

光子,是一种基本粒子,也可以被称为“光量子”,量子的概念是最小并且不可再次分割的物理量,光子就是光的最基本组成单位,它是一种规范玻色子。宇宙中的基本粒子可以分为两种:费米子玻色子,光子是典型的玻色子,和光子对应的是电子,典型的费米子。

费米子和玻色子有什么区别?

基本粒子是组成我们这个宇宙最基本的单位,比基本粒子更小的存在是没有任何物理意义的,我们的物理学只能描述“普朗克尺度”内的存在,比普朗克尺度更小的物理量会失去意义,换句话来说我们的物理学无法描述更小的存在了。

费米子是组成我们这个物质宇宙的基本粒子,电子,质子,中子都是费米子,我们可见的物质都是由各种费米子组成的,而玻色子是“传递相互作用”的粒子,费米子负责组成物质,玻色子负责传递物质之间的各种相互作用,费米子是半分数自旋,玻色子是整数自旋,费米子用波函数表示,玻色子用“玻色子场”来表示。

作为一个标准的玻色子,光子的使命是传递“电磁相互作用力”,各种各样的电磁波和电磁辐射都是由光子来传递的。光子最大的特点之一就是“静止质量为零”,实现光速的唯一要求就是该粒子的静止质量为0,目前发现的静止质量为0 的粒子有“光子”“胶子”还有没有被证实的“引力子”。

胶子是传递夸克之间强相互作用力的玻色子,但是在宇宙中不存在自由胶子,所以我们先不做讨论,“引力子”是一种假想中的玻色子,宇宙中存在四种基本力,除了引力之外我们都可以用量子理论来解释,只有引力是一个例外,研究量子理论的科学家肯定想让量子力学成为一个更完善的理论,所以提出了宇宙中还存在一种没有被发现的“引力子”,引力就是两个物体交换引力子时产生的。

可是在爱因斯坦的相对论中,不存在引力子,甚至不是一种力,而是“时空”弯曲,是宇宙本质的体现,所以并不需要引力子的存在,我们也可以解释引力。这个时候我们就可以很好地解释光子为什么可以达到光速了。

光子具有能量,也具有动量,所所以光子其实是有质量的,只不过光子没有“静止质量”,这是因为光子无法静止,它自然不会具备静止质量,大自然中的很多现象在进行时都会产生光子。只要是静止质量为0的粒子,就能实现光速运动!

问题来了,光子为什么可以实现静止的质量为0呢?

在量子力学的标准模型中还预言了这样一个玻色子:“希格斯玻色子”,这种玻色子不带电荷、色荷,极不稳定,生成后会立刻衰变,但是它又无比的重要,科学家甚至称呼希格斯玻色子为“上帝粒子”!

前文已经提到玻色子可以用场的形式描述,希格斯场是一种遍布整个宇宙无处不在的量子场,基本粒子和希格斯场耦合后会被赋予质量,也就是说希格斯玻色子是赋予万物质量的玻色子。

上帝粒子“希格斯玻色子”很神秘,现在人类很难找到它的存在,因为人类现在的粒子对撞机强度不够,就算未来建造了更强大的粒子对撞机,也不一定能撞出希格斯玻色子,希格斯玻色子在出现后,很短的时间内就会发生衰变成为其他粒子,因此想要捕捉到希格斯玻色子证明希格斯场的存在很困难。

希格斯场以及希格斯机制是一个看似很完美的理论,但是就算理论再完美,也需要用实验才能证明这个理论是正确的,如果我们找不到希格斯玻色子,就无法证明希格斯场的存在和希格斯机制的正确性。

我们暂且认为这个理论是正确的,就可以解释为什么光子的质量为0了,其他粒子和希格斯玻色子发生作用后得到质量,如果光子不和希格斯玻色子发生反应,就不会得到质量,因此光子可以实现“光速移动”。

因为光子不和希格斯场产生反应,所以光子从诞生的那一刻开始,就没有静止质量,因此光子不需要有一个“加速”的过程,光子在产生后的那一刻就达到了光速然后开始运动,直到和其他粒子发生相互作用或者被黑洞吞噬后,光子才会停止运动。

从目前的理论来看,光速就是已知的最快速度,也是信息传递的最快速度,这可能会成为未来人类探索宇宙的一大阻碍,因为在宇宙尺度面前,光速其实并没有我们想象中的那么快,银河系的直径在10万光年~20万光年之间,未来人类无法实现光速,以亚光速飞行的话,就需要大于20万年的时间才能横跨银河系。

关于光速还有很多未解之谜,或许未来人类真的可以找到超越光速的方法也说不定,

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